Auf der Jagd nach extragalaktischen Neutrino Punktquellen - Ein Multi-Messenger Fenster in das Hochenergie-Universum -

Active Galactic Nuclei (AGNs) are among the most powerful and most intensively studied objects in the Universe. AGNs harbor a mass accreting supermassive black hole (SMBH) in their center and emit radiation throughout the entire electromagnetic spectrum. About 10% show relativistic particle outflows, perpendicular to the so-called accretion disk, which are known as jets. Blazars, a subclass of AGN with jet orientations close to the line-of-sight of the observer, are highly variable sources from radio to TeV energies and dominate the γ- ray sky. The overall observed broadband emission of blazars is characterized by two distinct emission humps. While the low-energy hump is well described by synchrotron radiation of relativistic electrons, both leptonic processes such as inverse Compton scattering and hadronic processes such as pion-photoproduction can explain the radiation measured in the high-energy hump. Neutrinos, neutral, nearly massless particles, which only couple to the weak force 1 are exclusively produced in hadronic interactions of protons accelerated to relativistic energies. The detection of a high-energy neutrino from an AGN would provide an irrefutable proof of hadronic processes happening in jets. Recently, the IceCube neutrino observatory, located at the South Pole with a total instrumented volume of about one km 3 , provided evidence for a diffuse high-energy neutrino flux. Since the atmospheric neutrino spectrum falls steeply with energy, individual events with the clearest signature of coming from an extraterrestrial origin are those at the highest energies. These events are uniformly distributed over the entire sky and are therefore most likely of extragalactic nature. While the neutrino event (known as “BigBird”) with a reconstructed energy of ∼ 2 PeV has already been detected in temporal and spatial agreement with a single blazar in an active phase, still, the chance coincidence for such an association is only on the order of ∼ 5%. The neutrino flux at these high energies is low, so that even the brightest blazars only yield a Poisson probability clearly below unity. Such a small probability is in agreement with the observed all-sky neutrino flux otherwise, the sky would already be populated with numerous confirmed neutrino point sources. In neutrino detectors, events are typically detected in two different signatures 2 . So-called shower-like electron neutrino events produce a large particle cascade, which leads to a pre- cise energy measurement, but causes a large angular uncertainty. Track-like muon neutrino events, however, only produce a single trace in the detector, leading to a precise localization but poor energy reconstruction. The “BigBird” event was a shower-like neutrino event, tem- porally coincident with an activity phase of the blazar PKS 1424−418, lasting several months. Shower-like neutrino events typically lead to an angular resolution of ∼ 10 ◦ , while track-like events show a localization uncertainty of only ∼ 1 ◦ . Considering the potential detection of a track-like neutrino event in agreement with an activity phase of a single blazar lasting only days would significantly decrease the chance coincidence of such an association. In this thesis, a sample of bright blazars, continuously monitored by Fermi/LAT in the MeV to GeV regime, is considered as potential neutrino candidates. I studied the maximum possible neutrino ex- pectation of short-term blazar flares with durations of days to weeks, based on a calorimetric argumentation. I found that the calorimetric neutrino output of most short-term blazar flares is too small to lead to a substantial neutrino detection. However, for the most extreme flares, Poisson probabilities of up to ∼ 2% are reached, so that the possibility of associated neutrino detections in future data unblindings of IceCube and KM3NeT seems reasonable. On 22 September 2017, IceCube detected the first track-like neutrino event (named IceCube- 170922A) coincident with a single blazar in an active phase. From that time on, the BL Lac object TXS 0506+056 was subject of an enormous multiwavelength campaign, revealing an en- hanced flux state at the time of the neutrino arrival throughout several different wavelengths. In this thesis, I first studied the long-term flaring behavior of TXS 0506+056, using more than nine years of Fermi/LAT data. I found that the activity phase in the MeV to GeV regime already started in early 2017, months before the arrival of IceCube-170922A. I performed a calorimetric analysis on a 3-day period around the neutrino arrival time and found no sub- stantial neutrino expectation from such a short time range. By computing the calorimetric neutrino prediction for the entire activity phase of TXS 0506+056 since early 2017, a possible association seems much more likely. However, the post-trial corrected chance coincidence for a long-term association between IceCube-170922A and the blazar TXS 0506+056 is on the level of ∼ 3.5 σ, establishing TXS 0506+056 as the most promising neutrino point source candidate in the scientific community. Another way to explain a high-energy neutrino signal without an observed astronomical counterpart, would be the consideration of blazars at large cosmological distances. These high-redshift blazars are capable of generating the observed high-energy neutrino flux, while their γ-ray emission would be efficiently downscattered by Extragalactic Background Light (EBL), making them almost undetectable to Fermi/LAT. High-redshift blazars are impor- tant targets, as they serve as cosmological probes and represent one of the most powerful classes of γ-ray sources in the Universe. Unfortunately, only a small number of such objects could be detected with Fermi/LAT so far. In this thesis, I perform a systematic search for flaring events in high-redshift γ-ray blazars, which long-term flux is just below the sensitiv- ity limit of Fermi/LAT. By considering a sample of 176 radio detected high-redshift blazars, undetected at γ-ray energies, I was able to increase the number of previously unknown γ-ray blazars by a total of seven sources. Especially the blazar 5BZQ J2219−2719, at a distance of z = 3.63 was found to be the most distant new γ-ray source identified within this thesis. In the final part of this thesis, I studied the flaring behavior of bright blazars, previously considered as potential neutrino candidates. While the occurrence of flaring intervals in blazars is of purely statistical nature, I found potential differences in the observed flaring behavior of different blazar types. Blazars can be subdivided into BL Lac (BLL) objects, Flat-Spectrum Radio Quasar (FSRQ) and Blazars Candidates of Uncertain type (BCU). FSRQs are typ- ically brighter than BL Lac or BCU type blazars, thus longer flares and more complicated substructures can be resolved. Although BL Lacs and BCUs are capable of generating signifi- cant flaring episodes, they are often identified close to the detection threshold of Fermi/LAT. Long-term outburst periods are exclusively observed in FSRQs, while BCUs can still con- tribute with flare durations of up to ten days. BL Lacs, however, are only detected in flaring states of less than four days. FSRQs are bright enough to be detected multiple times with time gaps between two subsequent flaring intervals ranging between days and months. While BL Lacs can show time gaps of more than 100 days, BCUs are only observed with gaps up to 20 days, indicating that these objects are detected only once in the considered time range of six years. The newly introduced parameter “Boxyness” describes the averaged flux in an identified flaring state and does highly depend on the shape of the considered flare. While perfectly box-like flares (flares which show a constant flux level over the entire time range) correspond to an averaged flux which is equal the maximum flare amplitude, irregular shaped flares generate a smaller averaged flux. While all blazar types show perfectly box-shaped daily flares, BL Lacs and BCUs are typically not bright enough to be resolved for multiple days. The work presented in this thesis illustrates the challenging state of multimessenger neu- trino astronomy and the demanding hunt for the first extragalactic neutrino point sources. In this context, this work discusses the multiwavelength emission behavior of blazars as a promising class of neutrino point sources and allows for predictions of current and future source associationsAktive Galaxienkerne (Active Galactic Nuclei, AGNs) zählen zu den extremsten und am intensivsten studierten Objekten im Universum. In ihrem Zentrum befindet sich ein Materie-akkretierendes supermassives schwarzes Loch. AGNs senden Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum aus, während lediglich etwa 10% dieser Galaxien Teilchen in so-genannten Jets auf relativistische Energien beschleunigen können. Eine Unterklasse von AGNs, bekannt als Blazare verfügt über Jets, welche unter einem geringen Sichtwinkel beobachtet werden. Diese Quellen sind höchst variabel und dominieren den beobachteten Him- mel im Gammabereich. Multiwellenlängen-Beobachtungen von Blazaren zeigen eine typische Doppelhöckerstruktur. Während der niederenergetische Höcker gut durch leptonische Prozesse wie zum Beispiel Synchrotronstrahlung beschrieben werden kann, lässt sich die Emission des hochenergie-Höckers sowohl durch leptonische als auch durch hadronische Prozesse beschreiben. Neutrinos, nahezu masselose, neutrale Elementarteilchen werden ausschließlich in hadronischen Prozessen generiert. Der Nachweis eines hochenergetischen Neutrinos in Koinzidenz mit einem AGN würde somit einen unwiderlegbaren Beweis für das Vorhandensein relativistischer Protonen in diesen Quellen liefern. Die Existenz eines diffusen hochenergetischen Neutrino-Flusses konnte bereits durch das IceCube Experiment nachgewiesen werden. Bei dem IceCube Detektor handelt es sich um einen Cherenkov Detektor am Südpol mit einer gesamten instrumentierten Fläche von etwa 1 km\(^3\). Hochenergetische Neutrinos sind überwiegend von extraterrestrischer Natur, da atmosphärische Neutrinos ab Energien von > 100 TeV durch ihr steiles Spektrum sehr unwahrscheinlich werden. Da diese hochenergetischen Neutrinos gleichmäßig über den gesamten Himmel verteilt sind, kann von einem extra- galaktischen Ursprung ausgegangen werden. Das so genannte “BigBird” Ereignis, welches mit einer Energie von 2 PeV rekonstruiert wurde, ist in zeitlicher und räumlicher Übereinstimmung mit einem monatelangen Ausbruch des Blazars PKS 1424-418 detektiert worden. Dennoch liegt die Wahrscheinlichkeit für eine Korrelation dieser beiden Ereignisse lediglich bei etwa 5%. Aufgrund des sehr geringen zu erwartenden Neutrino-Flusses bei diesen hohen Energien ist eine Neutrino-Erwartung individueller Quellen von deutlich unter einem Ereignis nicht verwunderlich. Anderenfalls wäre der Himmel bereits mit identifizierten Neutrino- Quellen bevölkert. Neutrino-Detektoren weisen Neutrino-Ereignisse üblicherweise in zwei unterschiedlichen Signaturen nach. Bei dem “BigBird” Ereignis handelte es sich um ein sogenanntes “shower-like” Elektronen-Neutrino-Ereignis. Dieses erzeugt eine Teilchenkaskade innerhalb des Detektors, was zu einer Positionsunsicherheit von 10\(^◦\) an Himmel führt. “Track-like” Myon-Ereignisse hingegen erzeugen lediglich eine Teilchenspur und resultieren somit in einer Positionsunsicherheit von 1\(^◦\). Zur Detektion korrelierter Ereignisse wären somit ein “track-like” Neutrino- Ereignis, sowie ein Blazar Ausbruch von lediglich wenigen Tagen erforderlich. In dieser Arbeit untersuche ich eine Auswahl von 150 hellen Blazaren, welche kontinuierlich im MeV-GeV Bereich mit Fermi/LAT beobachtet werden. Basierend auf einem kalorimetrischen Ansatz untersuche ich die maximal zu erwartende Neutrino Anzahl kurzer Aktivitätsphasen mit einer Dauer von einigen Tagen bis Wochen. Die maximale Neutrino-Erwartung solcher kurzen Intervalle ist deutlich zu gering, um eine korrelierte Neutrino-Blazar Detektion erklären zu können. Dennoch, für die extremsten Ausbrüche sind Poisson-Wahrscheinlichkeiten von 2% zu erwarten, was diese Quellen zu vielversprechenden Kandidaten in zukünftigen Neutrino-Punktquellen-Suchen macht. Am 22. September 2017 detektierte IceCube ein hochenergetisches “track-like” Neutrino-Ereignis (bekannt als IceCube-170922A) in Übereinstimmung mit einer Phase erhöhter Aktivität des Blazars TXS 0506+056. In dieser Arbeit untersuche ich zunächst das Langzeit-Emissionsverhalten dieser Quelle über einen Zeitraum von mehr als neun Jahren im MeV-GeV Bereich mithilfe von Fermi/LAT Daten. Die Aktivitätsphase dieser Quelle begann bereits Anfang 2017, Monate vor der Detektion von IceCube-170922A. Basierend auf einer kalorimetrischen Neutrino-Abschätzung konnte keine signifikante Neutrino-Erwartung in einem Zeitraum von drei Tagen um den Zeitpunkt der Neutrino-Detektion gefunden werden. Unter Berücksich- tigung der gesamten Aktivitätsphase seit Anfang 2017 erscheint eine mögliche Korrelation beider Ereignisse kalorimetrisch deutlich wahrscheinlicher. Die korrigierte Zufallswahrscheinlichkeit liegt in der Größenordnung von 3.5 σ, wodurch sich TXS 0506+056 als die vielver- sprechendste extragalaktische Neutrino Punktquelle etabliert. Eine weitere Möglichkeit das Auftreten hochenergetischer Neutrinos ohne Zuordnung zu einer astrophysikalischen Quelle, besteht in der Berücksichtigung von Blazaren bei hohen kosmologischen Distanzen. Solche Blazare mit hoher Rotverschiebung wären im Stande den gemessenen Neutrino-Fluss zu erzeugen, zugleich jedoch undetektiert durch Fermi/LAT zu bleiben. Durch die hohen kosmologischen Entfernungen dieser Blazare werden mögliche hochenergetis- che Photonen am extragalaktischen Hintergrundlicht (Extragalactic Background Light, EBL) hin zu kleineren Energien gestreut. Blazare bei hohen Rotverschiebungen sind überproportional relevante Quellen, da diese zu den extremsten Gamma-Quellen im Universum zählen und zudem wichtiger Bestandteil im Verständnis der Entwicklung von AGNs sind. Leider sind bisher nur sehr wenige solcher Quellen von Fermi/LAT detektiert worden. In dieser Ar- beit führe ich eine systematische Suche nach Phasen erhöhter Gamma-Aktivität in Blazaren mit hoher Rotverschiebung durch, deren gemittelter Langzeitfluss unterhalb der Sensitivitätsgrenze von Fermi/LAT liegt. Basierend auf einer Auswahl von 176 im Gamma-Bereich undetektierten Blazaren mit hoher Rotverschiebung konnte die Anzahl bisher unbekannter Gamma-Quellen hoher Rotverschiebung um sieben Quellen gesteigert werden. Insbesondere der Blazar 5BZQ J2219-2719, welcher sich bei einer Rotverschiebung von z = 3.63 befindet, repräsentiert die am weitesten entfernte, neu identifizierte Gamma-Quelle innerhalb dieser Arbeit. Im letztem Kapitel dieser Arbeit beschäftige ich mich mit dem Langzeit-Emissionsverhalten heller Blazare, welche zuvor als vielversprechende Neutrino-Kandidaten untersucht wurden. Während das Auftreten von Ausbrüchen von rein statistischer Natur ist, konnte ich mögliche Unterschiede im gemessenen Emissionsverhalten unterschiedlicher Blazar-Klassen feststellen. Blazare lassen sich in BL Lac (BLL) Objekte, Flat-Spectrum Radio Quasar (FSRQ) und Blazar-Kandidaten unbekannten Types (BCU) unterteilen. FSRQs sind im Allgemeinen hellere MeV-GeV Quellen als BL Lacs und BCUs, und zeigen daher häufiger und längere Ausbruch-Phasen. Während BL Lacs und BCUs zu signifikanten Ausbrüchen im Stande sind, werden diese Quellen häufig an der Detektionsschwelle von Fermi/LAT beobachtet. Perioden erhöhter Aktivität mit einer Dauer von mehreren Monaten können ausschließlich in FSRQs aufgelöst werden. Wobei BCUs noch Ausbrüche von etwa zehn Tagen zeigen, werden BL Lacs nicht länger als vier Tage in Folge detektiert. FSRQs werden üblicherweise in mehreren unabhängigen Ausbrüchen detektiert. Daher zeigen diese Quellen sowohl kurze Lücken von einigen Tagen zwischen der Detektion zweier aufeinanderfolgender Ausbrüche, als auch Lücken von mehr als 100 Tagen. BL Lacs werden ebenfalls in unabhängigen Ausbruchphasen identifiziert, mit Lücken von etwa 100 Tagen. BCUs hingehen zeigen lediglich eine einzelne Aktivität- sphase. Der neu definierte Parameter “Boxyness” beschreibt den mittleren Fluss innerhalb eines Ausbruchs und hängt sehr von dessen Form ab. Perfekte “boxartige”/kastenförmige Ausbrüche zeigen eine konstante Fluss-Amplitude. Irreguläre Ausbrüche hingegen führen zu einem reduzierten mittleren Fluss. Alle Blazar-Klassen verfügen über perfekte “boxartige” Ausbrüche von lediglich einem Tag. Typischerweise sind BL Lacs und BCUs nicht hell genug um auf längeren Zeitskalen detektiert zu werden. Aufgrund der beschränkten Sensitivität von Fermi/LAT, können Unterstrukturen von weniger als einem Tag leider nicht aufgelöst werden. Diese Arbeit spiegelt die Herausforderungen in der neuen Disziplin der Neutrino Astronomie, sowie die vielversprechende Jagd nach den ersten extragalaktischen Neutrino Punktquellen wieder. In diesem Zusammenhang werden Blazare als ein sprechendsten Objekte möglicher zukünftiger Neutrino-Assoziationen diskutiert